基于紅外成像圖像識(shí)別的變電站高壓室熱狀態(tài)監(jiān)控設(shè)計(jì)

[關(guān)鍵詞]紅外成像圖像識(shí)別；變電站；高壓室；熱狀態(tài)；監(jiān)控

引言

高壓室是變電站的重要組成部分，其內(nèi)部設(shè)置了開(kāi)關(guān)柜、變壓器、互感器等多個(gè)裝置，并行完成電能的傳輸與分配。變電站高壓室內(nèi)部設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生巨大的熱量，不但會(huì)提高設(shè)備的故障率，導(dǎo)致其性能下降，還可能引發(fā)火災(zāi)，造成嚴(yán)重的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。進(jìn)行變電站高壓室熱狀態(tài)監(jiān)控可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的過(guò)熱狀況，采取必要的干預(yù)措施，還可以優(yōu)化電站的運(yùn)行狀態(tài)，提高能源的使用效率，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性監(jiān)控與決策，滿足多種環(huán)境下的供配電要求。變電站高壓室的設(shè)備組成與運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜度較高，因此，需要研究有效的變電站高壓室熱狀態(tài)監(jiān)控方法。

事實(shí)上，變電站高壓室熱狀態(tài)監(jiān)控的關(guān)鍵點(diǎn)較多，包括溫度、濕度，設(shè)備通風(fēng)狀態(tài)，告警閾值等，相關(guān)研究人員也針對(duì)變電站高壓室熱狀態(tài)監(jiān)控特點(diǎn)設(shè)計(jì)了幾種常規(guī)的監(jiān)控方法。節(jié)連彬等（2023）基于特征識(shí)別進(jìn)行了K-means圖像聚類(lèi)處理，分割了原本的監(jiān)測(cè)子集，結(jié)合樣本熵信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警，提高了監(jiān)控的實(shí)時(shí)性，但該方法的執(zhí)行難度較高；文沛等（2023）利用改進(jìn)決策樹(shù)對(duì)熱狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行了零均值處理，構(gòu)建了檢測(cè)數(shù)據(jù)模型，引入差分序列算法進(jìn)行監(jiān)測(cè)異常感知，降低了監(jiān)測(cè)誤差，但該方法的抗干擾性較差，易受外界環(huán)境變化影響導(dǎo)致監(jiān)測(cè)異常。為了滿足變電站運(yùn)行安全性要求，本文基于紅外成像圖像識(shí)別設(shè)計(jì)了一種有效的變電站高壓室熱狀態(tài)監(jiān)控方法。

一、變電站高壓室熱狀態(tài)紅外成像圖像識(shí)別監(jiān)控方法設(shè)計(jì)

（一）設(shè)置變電站高壓室熱狀態(tài)監(jiān)控測(cè)溫裝置

變電站高壓室熱狀態(tài)監(jiān)控目標(biāo)點(diǎn)較多，容易出現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)漏測(cè)問(wèn)題，影響監(jiān)控結(jié)果的可靠性，因此，本文以STM32為核心，設(shè)置了變電站高壓室熱狀態(tài)監(jiān)控測(cè)溫裝置。該測(cè)溫裝置可以通過(guò)太陽(yáng)能光板獲取能量，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫供電，對(duì)獲取的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，其布設(shè)示意圖如下圖1所示。

由圖1可知，光伏電源模塊主要由控制器、傳感中心等組成，滿足單軸跟蹤要求，穩(wěn)固性極高，其測(cè)溫開(kāi)關(guān)量AU如公式（1）所示。

△U＝U1-U2（1）

U1代表輸入的熱狀態(tài)測(cè)溫參量，U2代表輸出的熱狀態(tài)測(cè)溫參量?；诖?，可以判斷變電站高壓室的熱狀態(tài)是否滿足告警閾值，劃分熱狀態(tài)監(jiān)控點(diǎn)。在監(jiān)控采樣的過(guò)程中，若出現(xiàn)了明顯的采樣缺陷，可以進(jìn)行自適應(yīng)濾波處理，將多個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)組輸入測(cè)溫裝置的控制中心，此時(shí)得到的熱狀態(tài)監(jiān)控異常值P如公式（2）所示。

P代表溫度差異特征值，λ代表監(jiān)控范圍，C代表重復(fù)識(shí)別閾值，R代表溫度分布局域，U代表部署的監(jiān)控點(diǎn)位。使用上述設(shè)置的監(jiān)控測(cè)溫裝置可以實(shí)時(shí)完成模糊標(biāo)定，提高監(jiān)控的可靠性。

（二）基于紅外成像圖像識(shí)別進(jìn)行監(jiān)控圖像噪聲濾波處理

紅外成像圖像識(shí)別技術(shù)可以利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)監(jiān)控圖像進(jìn)行分類(lèi)預(yù)處理，提高監(jiān)控特征獲取的準(zhǔn)確性，因此，本文設(shè)計(jì)的方法基于紅外成像圖像識(shí)別進(jìn)行了監(jiān)控圖像噪聲濾波處理。首先利用紅外成像原理進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，得到的圖像剛體變換配準(zhǔn)表達(dá)式如公式（3）所示。

u'、v’代表經(jīng)過(guò)剛體變換的變電站高壓室熱狀態(tài)監(jiān)控紅外圖像與可見(jiàn)光圖像；u、v為監(jiān)控的原始圖像；tu為u變換成u'的水平參數(shù)；tv為v剛體變換成v'的垂直參數(shù)；a為旋轉(zhuǎn)參數(shù)。此時(shí)可以利用改進(jìn)小波包對(duì)監(jiān)控噪聲信號(hào)進(jìn)行分解重構(gòu)，得到的噪聲濾波處理式如公式（4）所示。

h（k）代表低通濾波參數(shù)，ф代表監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集尺度空間，x代表小波分解空間，k代表噪聲濾波參量，處理后的紅外成像熱狀態(tài)監(jiān)控流程如下圖2所示。

由圖2可知，在實(shí)際監(jiān)控過(guò)程中，可以建立動(dòng)態(tài)化監(jiān)控程序，調(diào)整連續(xù)監(jiān)控參數(shù)，并將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳至服務(wù)器中?；谏鲜龅臒釥顟B(tài)監(jiān)控流程可以進(jìn)行智能分級(jí)與預(yù)測(cè)，從而生成有效的預(yù)警信號(hào)，滿足變電站高壓室熱狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控要求。

二、實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于紅外成像圖像識(shí)別的變電站高壓室熱狀態(tài)監(jiān)控方法的監(jiān)控效果，本文配置了有效的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將其與文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]兩種常規(guī)的變電站高壓室熱狀態(tài)監(jiān)控方法對(duì)比，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，如下。

（一）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

結(jié)合變電站高壓室熱狀態(tài)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)要求，本文選取ZH5866平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由編碼器、紅外探測(cè)單元、報(bào)警探頭等組成，可以實(shí)時(shí)調(diào)整熱狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)中。利用ZH5866平臺(tái)可以調(diào)整監(jiān)控權(quán)限，通過(guò)WEB完成MIS瀏覽，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成示意圖如下圖3所示。

由圖3可知，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以集成多個(gè)變電站高壓室電力設(shè)備，通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)完成有效連接，將紅外測(cè)溫儀與攝像機(jī)結(jié)合為一體，實(shí)現(xiàn)全方位的轉(zhuǎn)動(dòng)與控制。紅外測(cè)溫儀之間通過(guò)RS-485串口與實(shí)驗(yàn)端主機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信與數(shù)據(jù)解析。

在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，需要將測(cè)溫單元安裝在監(jiān)控服務(wù)主機(jī)中，在保證原有監(jiān)控功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行初始化處理，選取的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括人機(jī)交互、信息管理、圖像監(jiān)控、紅外測(cè)溫四個(gè)模塊，軟件架構(gòu)如下圖4所示。

由圖4可知，待實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置完畢后，可以使用SmartSight作為遠(yuǎn)程高速一體監(jiān)控軟件，得到有效的變電站高壓室熱狀態(tài)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，可以進(jìn)行變電站高壓室熱狀態(tài)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)，即選擇不同的熱狀態(tài)監(jiān)控時(shí)刻，分別使用本文設(shè)計(jì)的基于紅外成像圖像識(shí)別的變電站高壓室熱狀態(tài)監(jiān)控方法，節(jié)連彬等（2023）的基于特征識(shí)別的變電站高壓室熱狀態(tài)監(jiān)控方法，以及文沛等（2023）的利用改進(jìn)決策樹(shù)算法的變電站高壓室熱狀態(tài)監(jiān)控方法進(jìn)行監(jiān)控，三種方法在不同時(shí)刻的熱狀態(tài)監(jiān)控結(jié)果如下表1所示。

由表1可知，本文設(shè)計(jì)的基于紅外成像圖像識(shí)別的變電站高壓室熱狀態(tài)監(jiān)控方法在不同監(jiān)測(cè)時(shí)間及監(jiān)測(cè)點(diǎn)均能獲取有效的監(jiān)測(cè)溫度，監(jiān)測(cè)狀態(tài)正常。節(jié)連彬等（2023）的基于特征識(shí)別的變電站高壓室熱狀態(tài)監(jiān)控方法，以及文沛等（2023）的利用改進(jìn)決策樹(shù)算法的變電站高壓室熱狀態(tài)監(jiān)控方法在部分監(jiān)測(cè)時(shí)間及監(jiān)測(cè)點(diǎn)無(wú)法獲取有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，存在異常的監(jiān)測(cè)狀態(tài)。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)熱狀態(tài)監(jiān)控方法的監(jiān)控效果較好，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

結(jié)語(yǔ)

變電站高壓室是存放電力設(shè)備的重要區(qū)域，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)因內(nèi)部元件與連接點(diǎn)通電作用導(dǎo)致熱狀態(tài)大幅度改變，降低設(shè)備的導(dǎo)電／絕緣性能，導(dǎo)致設(shè)備的使用壽命降低，甚至引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，因此，本文基于紅外成像圖像識(shí)別設(shè)計(jì)了一種有效的變電站高壓室熱狀態(tài)監(jiān)控方法，該方法的監(jiān)控效果較好，在不同狀態(tài)下均可獲得有效的監(jiān)控?zé)釥顟B(tài)數(shù)據(jù)，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價(jià)值。